Drahtlose Konnektivität entwickelt sich zu einer Schlüsseltechnologie in der schnell wachsenden Smart-Building-Branche. Millionen von Sensoren werden verbunden, um Daten über Belegung, Luftqualität, Temperatur und viele andere Parameter zu liefern. Stellantriebe müssen auch angeschlossen werden, um den Zugang zu Bereichen zu steuern, Fenster und Lüftungsöffnungen zu öffnen und zu schließen, Pumpen einzuschalten usw. Diese Aktivitäten erfordern keine großen Datenmengen, aber die Konnektivität muss zuverlässig, kostengünstig und einfach mit Datenverwaltungssystemen zu verbinden sein, ob vor Ort oder in der Cloud.
Diese Sensoren und Aktoren können auf unterschiedliche Weise angeschlossen werden. Kabelgebundene Verbindungen können einfach und energieeffizient sein, aber die Nachrüstung in bestehenden Gebäuden kann kostspielig sein. Aus diesem Grund suchen viele Systementwickler nach drahtlosen Systemen.
Wi-Fi ist eine beliebte drahtlose Technologie in Gebäuden, aber sie ist sehr energieineffizient und schränkt die Platzierung von Sensoren/Aktoren dort ein, wo elektrische Energie verfügbar ist. Darüber hinaus werden Sensornetzwerke für die Gebäudeautomation aus Sicherheitsgründen häufig von den Wi-Fi-Netzwerken des Unternehmens getrennt.
Infolgedessen wenden sich Unternehmen LPWAN-Technologien (Low Power Wide Area Network) zu, die die große Reichweite und den geringen Stromverbrauch kombinieren, der für intelligente Gebäudesensoren erforderlich ist. LPWANs ermöglichen es, Sensoren und Aktoren an verschiedenen Orten zu platzieren und sogar auszutauschen, da Arbeitsplätze häufiger neu konfiguriert werden. Dies erfordert einen langlebigen Batteriebetrieb, der den Bedarf an Konnektivität mit geringem Stromverbrauch antreibt.
Diese geringe Leistungsaufnahme wird durch Protokolle erreicht, die speziell für Sensor- und Aktuatoranwendungen entwickelt wurden, und nicht für die Übertragung von Multimediadaten. Viele LPWANs arbeiten in den nicht lizenzierten Frequenzbändern von 433 MHz und 868 MHz in Europa oder 902 bis 928 MHz in Nordamerika sowie in den nicht lizenzierten Bändern in Asien. Diese gemeinsamen Sub-GHz-Bänder bieten Herstellern Größenvorteile, um die Investitionskosten für drahtlose Knoten und Gateways zu reduzieren.
Durch den Betrieb in den Sub-GHz-Bändern dringen Funkwellen besser durch die Luft, aber auch durch Wände. Dies bedeutet, dass ein einziges LPWAN-Gateway Tausende von Knoten in einem Gebäude oder eine Reichweite von bis zu 5 km in der Stadt oder 15 km im weitesten Bereich unterstützen kann. Dies hat als Gegenstück eine niedrigere Datenübertragungsgeschwindigkeit, normalerweise weniger als 1 kbit/sg, was es sehr geeignet für die Knoten mit geringer Leistung macht, die für intelligente Gebäude erforderlich sind.
Die Protokolle sind so konzipiert, dass sie den stromsparenden Betrieb dieser Tausenden von Knoten mit einem niedrigen Arbeitszyklus unterstützen, sodass ein Knoten nur einen Bruchteil der Zeit sendet. Dies reduziert den Stromverbrauch eines Knotens und verlängert die Batterielebensdauer auf mehrere Jahre bis zu einem Jahrzehnt. Dies ist ein wichtiger Aspekt für intelligente Gebäude. Wenn es Tausende von drahtlosen Sensoren in einem Gebäude gibt, kann das Ersetzen von Batterien eine Vollzeitbeschäftigung sein und die Kosteneinsparungen durch intelligentere Gebäude verringern. Die Verlängerung der Nutzungsdauer der Batterien auf den Austauschzyklus der Sensorknoten selbst reduziert die Betriebskosten (opex) des Einsatzes der Technologie drastisch.
Die LPWAN-Protokolle haben außerdem Verschlüsselungs- und Authentifizierungssicherheit hinzugefügt, um sicherzustellen, dass die Daten im gesamten Netzwerk vollständig geschützt sind.
Mit Tausenden von Knoten, die von einem einzigen Langstrecken-Gateway für jede Verbindung unterstützt werden, vermeiden LPWANs die Notwendigkeit komplexerer Mesh-Netzwerkprotokolle, die in Technologien wie Bluetooth Low Energy (BLE) verwendet werden. Das Erfordernis, dass Knoten die Daten von Nachbarn in einem Mesh-Netzwerk weiterleiten, verursacht einen Overhead beim Paket-Routing und erhöht den Stromverbrauch. Stattdessen können zusätzliche LPWAN-Gateways verwendet werden, um das Netzwerk auf einen größeren Bereich auszudehnen. Unter Berücksichtigung des Umfangs kann eine ganze Stadt mit zwei oder drei Gateways abgedeckt werden, was bedeutet, dass Gateways in Gebieten mit einer höheren Knotendichte hinzugefügt werden können. Dies bietet sowohl eine effiziente Frequenznutzung als auch eine kostengünstige Bereitstellung für die größten Gebäude und Smart-City-Planer.
LPWANs, die in nicht lizenzierten Bändern betrieben werden, unterliegen HF-Rauschen. Ein hochwertiges LPWAN muss in der Lage sein, in dieser Art von rauer Umgebung zu funktionieren und gleichzeitig eine lange Batterielebensdauer und eine große Reichweite zu gewährleisten.
Ein LPWAN-Protokoll mit offenem Standard, der LoRaWAN®-Standard, verwendet ein Modulationsschema, das eine starke Gleichkanal- und Nachbarkanalunterdrückung auf der physikalischen Schicht bietet, um das Funksignal zu schützen. Die Gleichkanalunterdrückung mit Einzelträgerinterferenz beträgt 5–19 dB, abhängig vom Spreizfaktor (SF), und die Nachbarkanalunterdrückung beträgt 60–72 dB.
Das Protokoll verwendet eine Spread-Spectrum-Modulationstechnik, die von der Chirp Spread Spectrum (CSS)-Technologie abgeleitet ist. Dies stellt ein Gleichgewicht zwischen Empfindlichkeit und Datenrate bereit, während auf einem Kanal mit fester Bandbreite von 125 KHz oder 500 KHz (für Uplink-Kanäle) und 500 KHz (für Downlink-Kanäle) gearbeitet wird.
LoRaWAN verbessert das Modulationsschema weiter, indem es einen adaptiven Datenraten-(ADR)-Befehl auf der MAC-Schicht implementiert. Dadurch kann der Netzwerkhost Kanäle deaktivieren, von denen bekannt ist, dass sie starke Interferenzen aufweisen, um die Gesamtqualität der Paketübertragung zu verbessern und die Batterielebensdauer zu verlängern.
Die Verwendung orthogonaler Ausbreitungsfaktoren zum Implementieren von ADR stellt eine adaptive Leistung für die Leistungspegel und Datenraten einzelner Endknoten bereit. Beispielsweise sollte ein Endgerät, das sich in der Nähe eines Gateways befindet, Daten mit einem geringen Dispersionsfaktor übertragen, da nur sehr wenig Link Space benötigt wird. Ein Endgerät, das mehrere Kilometer vom Gateway entfernt ist, muss jedoch mit einem viel höheren Dispersionsfaktor senden. Dieser höhere Dispersionsfaktor liefert einen höheren Verarbeitungsgewinn und eine höhere Empfangsempfindlichkeit, obwohl die Datenrate notwendigerweise niedriger sein wird.
LoRaWAN-Knoten
Ein typischer Knoten, der mit dem LoRaWAN-Standard arbeitet, besteht aus dem drahtlosen Transceiver mit Antenne und einem Mikrocontroller. Die Knoten verbinden sich mit einem Gateway, entweder im Gebäude als privates Netzwerk oder mit einem öffentlichen LPWAN-Netzwerk.
Ein privates Netzwerk-Gateway in einem intelligenten Gebäude würde sich über eine Wi-Fi-, Mobilfunk- oder Ethernet-Verbindung mit hoher Bandbreite, die vom Computersystem des Unternehmens getrennt sein kann, mit einem LoRaWAN-Server verbinden. Dies könnte als vollständig lokales Netzwerk funktionieren oder cloudbasiert sein, um eine einzige Verwaltungskonsole für mehrere Gebäude bereitzustellen.
Von der Community erstellte oder betreibereigene LPWAN-Netzwerke haben in städtischen Gebieten installierte Gateways, um Netzwerkdienste über ihre eigenen Cloud-Server bereitzustellen. Das bedeutet, dass Gebäudemanager nur noch LPWAN-basierte Sensoren oder Aktoren hinzufügen müssen, ohne sich Gedanken über die breitere Infrastruktur machen zu müssen.
Für Gebäudemanager, die eine bessere Kontrolle über ihre Infrastruktur wünschen, ist die Cloud unverzichtbar. Cloud-Anbieter wie Amazon und Microsoft haben jetzt LPWAN-Protokolle in ihre Systeme integriert, um Internet of Things (IoT)-Geräte mit der Cloud zu verbinden, ohne dass Server bereitgestellt oder verwaltet werden müssen. Dies kann Milliarden von Geräten und Billionen von Nachrichten unterstützen und diese Nachrichten verarbeiten und an Cloud-Endpunkte und andere Geräte weiterleiten. Dies kann zuverlässig und sicher erfolgen und mit allen Knoten kommunizieren.
Der Cloud-Dienst kann dann die Daten mit anderen Cloud-Diensten verbinden. Dies ermöglicht skalierbare Datenspeicherung, maschinelles Lernen und Datenbanken, um die von den Knoten eines intelligenten Gebäudes generierten Daten zu sammeln, zu verarbeiten, zu analysieren und darauf zu reagieren.
Die Verwendung von maschinellen Lernalgorithmen für Daten aus mehreren Gebäuden kann einen besseren Einblick in die Leistung jedes Gebäudes geben und Einblicke in die Nutzung des Gebäudes und die Optimierung von Dienstleistungen bieten. Diese Daten können auch für prädiktive Analysen verwendet werden, um zu erkennen, wann intelligente Gebäudeausrüstung Probleme hat, damit sie ersetzt werden können, bevor ein Ausfall die Gebäudenutzer stört.
LPWAN-Systeme sind ein wichtiger Bestandteil der intelligenten Gebäudeinfrastruktur, und LoRaWAN wird zunehmend als De-facto-Plattform für LPWAN anerkannt. Die große Reichweite, der geringe Stromverbrauch und die Skalierbarkeit des Protokolls bieten Gebäudemanagern eine Möglichkeit, Daten von den Sensoren bereitzustellen, die den Kern der Systeme bilden. Verschiedene Arten von Netzwerken, von privaten und öffentlichen bis hin zur Cloud, bieten eine Reihe von Verbindungsansätzen von Tausenden von Knoten in einem intelligenten Gebäude bis hin zum System zur Nutzung von Daten. [WORTE 1344]
Autor: Marc Pegulu, Vice President of IoT Product Marketing and Strategy, Sensing and Wireless Products Group, Semtech
